樊仲欣， 朱 彬， 呂晶晶， 安俊琳

（南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與環(huán)境氣象國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，南京210044）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，將理論知識(shí)與實(shí)踐操作聯(lián)系起來(lái)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)［1］，而實(shí)驗(yàn)室則是訓(xùn)練學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的搖籃與載體［2］。出于對(duì)教學(xué)資源的優(yōu)化配置考慮，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建立可以有效整合相關(guān)資源，節(jié)約辦學(xué)資金，統(tǒng)一設(shè)備和人員的規(guī)范管理體制，激發(fā)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的積極性，實(shí)現(xiàn)資源的集中共享，從而發(fā)揮整體優(yōu)勢(shì)，為教學(xué)、科研、專業(yè)業(yè)務(wù)等提供更為有力的支持［3-5］。對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的運(yùn)行和發(fā)展來(lái)說(shuō)，信息化管理是必備的基礎(chǔ)條件，而現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息系統(tǒng)體系建設(shè)應(yīng)該在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化應(yīng)用范圍和深度，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，形成較為完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化系統(tǒng)［6］。

1 中心信息系統(tǒng)體系建設(shè)現(xiàn)狀

大氣與環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立于2017年，由大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心［7-8］和大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心［9-10］這兩個(gè)獲批于2013年的國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心所組成，其中大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心組建于2011年，整合了氣象實(shí)習(xí)臺(tái)、氣象觀測(cè)站、農(nóng)業(yè)氣象實(shí)驗(yàn)站等一批氣象觀測(cè)和實(shí)習(xí)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，而這些實(shí)驗(yàn)室的建立可以追溯到1960年建校，且經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展都具有全國(guó)一流的水平，尤其是氣象實(shí)習(xí)臺(tái)，經(jīng)過(guò)2009年中國(guó)氣象局和江蘇省共同出資改造升級(jí)，將其建成了全國(guó)高校中唯一的具有中央氣象臺(tái)技術(shù)水平的天氣預(yù)報(bào)實(shí)習(xí)臺(tái)。因此大氣科學(xué)與環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心組建時(shí)便具備了當(dāng)時(shí)高水平的教學(xué)、科研、業(yè)務(wù)等條件，其下屬單位氣象實(shí)習(xí)臺(tái)的信息系統(tǒng)體系如圖1。

圖1 氣象實(shí)習(xí)臺(tái)2011年信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2017年成立之初，大氣與環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱“中心”）便以虛實(shí)結(jié)合、協(xié)同發(fā)展［11］為基本原則，計(jì)劃整合、提升、擴(kuò)充下屬實(shí)驗(yàn)室的軟硬件資源，以及開(kāi)展虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)等一系列工作，而在中心發(fā)展的各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)中，信息化建設(shè)面臨著一些具體問(wèn)題。

1.1 管理手段落后，工作效率低下

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)建和新建，現(xiàn)在中心擁有6間實(shí)習(xí)教室、2間開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、1間虛擬仿真室，共計(jì)約400臺(tái)電腦，但由于管理人員配置受限，每人承擔(dān)著近100臺(tái)電腦的管理工作，因此每逢實(shí)習(xí)課程集中期間便需要頻繁重復(fù)解決各種軟硬件設(shè)備的故障及兼容性問(wèn)題，造成人員工作負(fù)擔(dān)大但效率卻很低下的問(wèn)題。①開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的使用要滿足師生隨時(shí)預(yù)約、自主實(shí)驗(yàn)的需求，而傳統(tǒng)的人工管理方式顯然達(dá)不到其對(duì)管理效率的要求。②遠(yuǎn)程視頻會(huì)商系統(tǒng)需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)和信號(hào)切換，但由于會(huì)商經(jīng)常不在工作時(shí)間范圍內(nèi)，或者在管理人員不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)臨時(shí)有緊急會(huì)商，這便會(huì)造成管理困難而影響正常使用。

1.2 氣象資料和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源零散孤立

中心的氣象實(shí)習(xí)臺(tái)接收的外部氣象資料，以及氣象觀測(cè)站、農(nóng)業(yè)氣象實(shí)驗(yàn)站等自主觀測(cè)獲取的氣象資料都是二進(jìn)制或者文本文件形式的，因此各自建立了文件型數(shù)據(jù)庫(kù)按照資料的來(lái)源進(jìn)行歸類存放，由此導(dǎo)致了這些數(shù)據(jù)庫(kù)中大量零散孤立的文件不便于管理，更無(wú)法按照氣象要素、地區(qū)范圍等進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的查詢操作。而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和虛擬仿真資源也同樣存在資源分散，無(wú)法關(guān)聯(lián)查詢，缺乏元數(shù)據(jù)信息的問(wèn)題。

1.3 信息共享及展示水平不高

中心的各個(gè)實(shí)驗(yàn)室都承擔(dān)著氣象資料共享的工作職責(zé)，但以往的共享各自為政，并且采用離線拷貝的方式，需要人工進(jìn)行資料的篩選和質(zhì)控，因此當(dāng)遇到資料拷貝量大的工作任務(wù)，便不僅消耗管理人員大量的時(shí)間和精力，而且還容易在資料處理過(guò)程中出現(xiàn)失誤。同時(shí)，對(duì)于虛擬仿真等教學(xué)資源的共享也缺乏在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，無(wú)法進(jìn)行考核與評(píng)價(jià)。此外，中心作為學(xué)校的窗口單位，經(jīng)常需要在國(guó)內(nèi)外來(lái)賓的參觀接待任務(wù)中展示實(shí)時(shí)的氣象信息，而原有的展示方式是使用多臺(tái)服務(wù)器安裝業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，這樣不僅浪費(fèi)了大量計(jì)算資源而且在管理維護(hù)方面也缺乏效率。

因此，這些問(wèn)題需要通過(guò)從上述各方面全方位的提升中心的信息化水平才能夠解決，而借助現(xiàn)代化的先進(jìn)技術(shù)是建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、智能化信息系統(tǒng)的必由之路。

2 氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系建設(shè)

經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，目前中心已建立起了一整套結(jié)合虛擬桌面、云計(jì)算平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)以及虛擬仿真等各種先進(jìn)技術(shù)的氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系（見(jiàn)圖2）。

圖2的中心信息系統(tǒng)體系以氣象實(shí)習(xí)臺(tái)的信息系統(tǒng)體系（見(jiàn)圖1）為核心進(jìn)行了整合與拓展升級(jí)，增加了自主觀測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)用氣象數(shù)據(jù)庫(kù)、氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)等內(nèi)容，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了7個(gè)方面的信息化建設(shè)工作（如圖2中的1～7）。

圖2 大氣與環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2020年信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.1 基于虛擬桌面的實(shí)習(xí)教室

虛擬桌面技術(shù)改變了傳統(tǒng)教室電腦因各自獨(dú)立運(yùn)維，相互難以同步而導(dǎo)致管理煩瑣低效的狀況。該技術(shù)架構(gòu)由云終端、虛擬桌面控制器、虛擬機(jī)管理平臺(tái)、服務(wù)器存儲(chǔ)設(shè)備等組成，首先通過(guò)服務(wù)器虛擬化軟件搭建具備高可用性的集群服務(wù)器環(huán)境，為用戶新建和開(kāi)啟虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)虛擬桌面及應(yīng)用程序的后臺(tái)運(yùn)行；然后通過(guò)虛擬桌面發(fā)布平臺(tái)將桌面資源進(jìn)行整合；最后利用高效的遠(yuǎn)程發(fā)布協(xié)議以快速、安全、穩(wěn)定的方式交付給用戶，由用戶通過(guò)各種終端設(shè)備隨時(shí)隨地的接入使用。那么通過(guò)這樣一種將終端設(shè)備上的系統(tǒng)和應(yīng)用虛擬化并集中到服務(wù)器端管理的方式，可以在多臺(tái)終端重復(fù)使用相同系統(tǒng)和應(yīng)用的情況下極大的簡(jiǎn)化管理維護(hù)的工作量，達(dá)到只要維護(hù)一套系統(tǒng)和應(yīng)用就等于實(shí)現(xiàn)了所有教室電腦（即終端）的同步化操作，而無(wú)須再重復(fù)地解決相同的故障問(wèn)題。

2.2 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)資源的充分共享，以滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求［12-13］。與純粹軟件形式的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)不同，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)是由刷卡派位終端、實(shí)驗(yàn)工位電源控制器、智能云臺(tái)攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)對(duì)講機(jī)這些硬件，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合管理系統(tǒng)、預(yù)約派位與電源管理系統(tǒng)、在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告系統(tǒng)這些軟件所組成的一個(gè)整體。實(shí)驗(yàn)室的排課計(jì)劃查詢以及預(yù)約審批授權(quán)通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合管理系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上完成，學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室刷卡派位以后由系統(tǒng)預(yù)約派位的機(jī)位即可開(kāi)機(jī)直到預(yù)約時(shí)間結(jié)束自動(dòng)關(guān)機(jī)并生成考勤信息，在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，而實(shí)驗(yàn)室管理人員則可以在無(wú)人值守的情況下，通過(guò)智能云臺(tái)攝像機(jī)監(jiān)控和錄制實(shí)驗(yàn)室的全程使用情況，以及應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況使用遠(yuǎn)程語(yǔ)音功能與學(xué)生進(jìn)行對(duì)話。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化管理而且還實(shí)現(xiàn)了針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精細(xì)化管理，進(jìn)一步提高了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理水平。

2.3 遠(yuǎn)程視頻會(huì)商系統(tǒng)的自動(dòng)化管理

遠(yuǎn)程視頻會(huì)商系統(tǒng)用于中心參加國(guó)家氣象局和江蘇省氣象局會(huì)商，是中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要特色之一［14］。會(huì)商系統(tǒng)使用方式有定時(shí)和臨時(shí)2種，為了減少管理工作量做到無(wú)人值守下的自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了定時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)同時(shí)自動(dòng)切換會(huì)商模式，而且針對(duì)臨時(shí)開(kāi)會(huì)的情況，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套手機(jī)APP，可以遠(yuǎn)程操作會(huì)商系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)以及模式切換，從而解決了現(xiàn)場(chǎng)管理耗時(shí)費(fèi)力的難題。

2.4 大氣資料教學(xué)資源庫(kù)

為解決氣象資料和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源零散孤立的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)資源的高效整合管理，更好地為教學(xué)、科研以及虛擬仿真等平臺(tái)建設(shè)服務(wù)，中心建立了大氣資料教學(xué)資源庫(kù)［15］并且不斷充實(shí)其中的氣象資料和教學(xué)資源。大氣資料教學(xué)資源庫(kù)基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建，將氣象資料依據(jù)使用目的劃分為常規(guī)天氣要素預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)和氣候預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)以二維表的形式存儲(chǔ)，可以用結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)時(shí)間區(qū)段、地區(qū)范圍、氣象要素等條件的資料篩選。此外，針對(duì)包括虛擬仿真資源在內(nèi)的教學(xué)資源零散孤立的問(wèn)題，大氣資料教學(xué)資源庫(kù)中專門建立了自主建設(shè)資源數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存放各種教學(xué)資源的元數(shù)據(jù)信息。以及針對(duì)農(nóng)業(yè)氣象實(shí)驗(yàn)站自主觀測(cè)獲取的植被物理化學(xué)特性和土壤物理化學(xué)特性等資料，將其存入專門的應(yīng)用氣象數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.5 氣象資料數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)

氣象資料數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)以大氣資料教學(xué)資源庫(kù)為依托，對(duì)接學(xué)校信息門戶身份認(rèn)證機(jī)制對(duì)全校師生開(kāi)放，可以實(shí)現(xiàn)資料的目錄清單管理、用戶管理、在線查詢下載、下載記錄統(tǒng)計(jì)等功能，從而利用網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)高效便捷的優(yōu)勢(shì)消除了重復(fù)性的管理人員人工處理資料的弊端。

2.6 虛擬仿真共享平臺(tái)

國(guó)家級(jí)大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心自組建以來(lái)就著手建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室以及云層虛擬仿真系統(tǒng)等一批虛擬仿真資源，中心建立以來(lái)，不僅不斷充實(shí)雙偏振天氣雷達(dá)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)、新型自動(dòng)氣象站安裝、半干旱區(qū)生態(tài)保護(hù)［16］等虛擬仿真資源，還將其整合入了大氣資料教學(xué)資源庫(kù)中。同時(shí)，根據(jù)教育部要求［17］，為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信息化建設(shè)，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共建共享，促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源在線開(kāi)放和高效利用，中心積極開(kāi)展了虛擬仿真共享平臺(tái)的建設(shè)，該平臺(tái)基于自主建設(shè)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)，具有基礎(chǔ)信息、用戶權(quán)限、學(xué)習(xí)功能、學(xué)習(xí)記錄等基本功能模塊，同時(shí)還具備符合大氣科學(xué)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)和理念的考核評(píng)價(jià)功能，以及實(shí)現(xiàn)與江蘇省高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐教育中心共享平臺(tái)的對(duì)接與集成。

2.7 氣象資料的網(wǎng)絡(luò)化展示

在中心的參觀接待中，為了能以簡(jiǎn)單快捷的方式展示實(shí)時(shí)的氣象信息，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套氣象信息網(wǎng)絡(luò)化展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將氣象資料實(shí)時(shí)地以可視化的方式轉(zhuǎn)換成位圖圖像保存下來(lái)，這樣就將原先C/S架構(gòu)的信息展示方式變?yōu)榱薆/S架構(gòu)，用IE等瀏覽器網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)即可顯示實(shí)時(shí)氣象信息，從而避免了許多安裝維護(hù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的煩瑣工作。同時(shí)，該系統(tǒng)也可以將氣象資料實(shí)時(shí)的對(duì)外網(wǎng)進(jìn)行展示，從而用于中心的科普宣傳工作。

3 應(yīng)用成效

氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系的建立使中心具備了更加優(yōu)良的教學(xué)培訓(xùn)環(huán)境和實(shí)踐教學(xué)手段，通過(guò)優(yōu)化人力物力等各方面的資源分配，目前在中心人才培養(yǎng)、業(yè)務(wù)培訓(xùn)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、教學(xué)案例、資料服務(wù)、科研應(yīng)用、創(chuàng)新平臺(tái)、宣傳窗口這八大工作職能中建設(shè)效益顯著。

3.1 實(shí)現(xiàn)中心運(yùn)行管理的高效化

中心人才培養(yǎng)方面大氣類各專業(yè)本科生、研究生的天氣分析預(yù)報(bào)等實(shí)踐教學(xué)工作量約每學(xué)年1 500人、10萬(wàn)人時(shí)；舉辦氣象、民航預(yù)報(bào)員業(yè)務(wù)培訓(xùn)班共16期（566人），WMO外籍、港澳共10期（117人），實(shí)驗(yàn)室利用率可達(dá)到80%以上，因此，虛擬桌面和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)大幅度減少管理工作量，同時(shí)還可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精細(xì)化管理，從而使工作效率有了質(zhì)的提升。此外，中心每個(gè)工作日都有國(guó)家氣象局早間會(huì)商，以及不定期的臨時(shí)遠(yuǎn)程視頻會(huì)議，這是中心預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)職能的組成部分，而遠(yuǎn)程視頻會(huì)商系統(tǒng)的自動(dòng)化進(jìn)一步提升了管理效率。

3.2 實(shí)現(xiàn)中心數(shù)據(jù)管理的規(guī)范化

中心資料和資源零散孤立的問(wèn)題在大氣資料教學(xué)資源庫(kù)建立以后得以解決，數(shù)據(jù)不僅結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，而且按照常規(guī)天氣要素預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、自主建設(shè)資源、應(yīng)用氣象分成四大類和若干小類，為中心的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)和教學(xué)案例提供了具有清晰對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)支撐，以便于建立規(guī)范化的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)思路和教學(xué)資源。

3.3 實(shí)現(xiàn)中心資源管理的集約化

氣象資料數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)和虛擬仿真共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了氣象資料和教學(xué)資源的集約化管理，為中心的資料服務(wù)職能提供了一種有效的機(jī)制，管理人員和師生都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)享受一站式信息共享服務(wù)，進(jìn)而助力于中心人才培養(yǎng)、科研應(yīng)用、創(chuàng)新平臺(tái)的工作職能。此外，氣象信息網(wǎng)絡(luò)化展示系統(tǒng)改變了信息的展示方式，使得一臺(tái)普通電腦便可以替代數(shù)臺(tái)專業(yè)的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)展示功能，從而大大節(jié)約了參觀接待和科普宣傳上需投入的人力物力。

4 結(jié) 語(yǔ)

大氣與環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以“緊貼學(xué)校發(fā)展規(guī)劃，緊貼氣象事業(yè)業(yè)務(wù)需求，緊貼學(xué)生核心技能提升”為建設(shè)指導(dǎo)思想，多年來(lái)與時(shí)俱進(jìn)，不斷改革創(chuàng)新，大力推進(jìn)氣象教育事業(yè)發(fā)展，而氣象實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化信息系統(tǒng)體系便是其中的一個(gè)縮影，該體系不僅能滿足對(duì)接現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)和培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型人才的需求，并達(dá)到了集約優(yōu)化資源、高效規(guī)范管理的預(yù)期規(guī)劃，而且切實(shí)地服務(wù)于中心的各項(xiàng)工作職能，強(qiáng)化了中心的內(nèi)涵建設(shè)。